EP0848249B1 - Temperaturregelung für Gassensoren - Google Patents

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EP0848249B1
EP0848249B1 EP97121648A EP97121648A EP0848249B1 EP 0848249 B1 EP0848249 B1 EP 0848249B1 EP 97121648 A EP97121648 A EP 97121648A EP 97121648 A EP97121648 A EP 97121648A EP 0848249 B1 EP0848249 B1 EP 0848249B1
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EP
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gas sensor
resistor element
elements
measuring chamber
accordance
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Jürgen Dittrich
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JUERGEN DITTRICH ELEKTRONIK
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Juergen Dittrich Elektronik
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor according to the preamble of claim 1.
  • Gas sensors are known in which the Heating current depending on the temperature with measured using a separate temperature sensor leaves. With such a regulation, the temperature sensor the controlled variable sensor and the Heating coil the actuator. Such probes are comparative expensive and complex to manufacture.
  • Sensors for measuring the oxygen concentration in exhaust gases are known from US 4,500,412. These sensors are designed very specifically for this application. They can also be heated using the resistance element suitable for measuring the temperature.
  • the object of the invention is to create a gas sensor according to the preamble of claim 1, which is inexpensive to manufacture is.
  • the object is achieved by a gas sensor Claim 1 solved.
  • the Temperature of the gas sensor can be measured with just one Resistance element can be set exactly. Since that Opposing element both as a temperature sensor and other components can also be used as heating save on. This is done on the resistance element temporarily an external voltage source is connected is a heating current via the resistance element is feedable. It is therefore possible to produce efficient and inexpensive gas sensors, which are characterized by high accuracy. Another advantage is that it is the easy one Design the use of materials for the resistance elements such as. Nickel or tungsten alloys not allowed for known arrangements can be processed.
  • this regulation which is a resistance element both as a controlled variable sensor is also used as an actuator in gas sensors to be used especially with pump probes, those glued together using the thick-film process Surface elements are manufactured. So it can Resistor element in a simple manner e.g. by sticking can be integrated into the sandwich structure.
  • the resistance element with a Ceramic adhesive glued to a wall of the measuring chamber. The resistance element has depending on the structure resistance of the gas sensor at room temperature between an ohm and a kiloohm. On this way, highly accurate and especially small ones Pump probes manufactured.
  • the resistance element is particularly advantageous for the resistance element to use a platinum element.
  • platinum elements are characterized by great linearity over a wide temperature range and through large Temperature coefficient.
  • a known platinum element in particular a PT 20 that has a resistance of 20 ohms at room temperature has on the wall of the measuring chamber of the gas sensor.
  • a PT 20 has just added the small gas sensors have a particularly good performance ratio, when operated as a heating resistor becomes.
  • Resistance elements made of precious metal are advantageous because they're particularly resistant to the the high temperatures are corrosion. Platinum elements therefore contribute to increasing the Operational safety of the gas sensors.
  • the electrical circuit of the resistance element is known to be done with a bridge circuit, with which the voltage drop Resistance change can be recorded. Through this Circuit, the temperature can also be optimal to adjust.
  • the gas sensor produced by screen printing. This is the inexpensive manufacture of a very robust and small Sensor possible.
  • a gas sensor 1 is shown, the primary for the measurement of oxygen is designed.
  • the gas sensor 1 has a measuring chamber 2 in which an oxygen partial pressure P2 prevails.
  • the measuring chamber 2 is surrounded by a bridge-shaped contact element 3 made of carbon or conductive metal.
  • the contact element 3 is with a temperature-resistant ceramic adhesive on a flat surface Platinum resistance element 4, the one at room temperature Resistance between one ohm and one kiloohm in particular 20 Ohm (PT 20).
  • About the Supply lines 5 can measure the voltage drop on the one hand and, on the other hand, via an temporarily connected external one Voltage source the heating element a heating current are fed.
  • the heating or measuring coil is with a broken line.
  • Elements 6 made of zirconium dioxide (ZrO 2 ) are glued to the resistance element 4 on both sides of the contact element 3, so that the closed measuring chamber 2 with ion-permeable walls is formed.
  • Catalyst material 7 platinum is applied to the elements 6 on the outside.
  • Figure 2 shows a section through a gas sensor on the resistance element is glued on.
  • the geometry is a side view of a in FIG Contact element 3 shown.
  • the partial pressure P1 of a gas in a gas mixture, especially in air, is like a pump probe measured.
  • the pump probe is used in a first Process step (heating phase) by power supply on Resistor element heated while in a second Process step (measuring phase) the temperature of the PT 20 by means of the voltage drop across the resistance element is measured.
  • FIG. 4 shows the structure of a gas sensor which is produced using the screen printing process.
  • six free-standing conductive elements 13 made of platinum paste are printed in two rows a three on a resistance element 12 in a first method step.
  • two beam-shaped chamber walls 14 made of zirconium dioxide of the same thickness are printed between the conductive elements 13 and cured in the next step.
  • elements made of O 2 permeable ceramic 15 are introduced onto the free sides of the chamber walls 14 and into the free spaces.
  • the structure is covered with a cover layer 16 made of O 2 impermeable ceramic.
  • a method for Determination of the partial pressure of a gas in a Carry out gas mixture especially in air. This will over the resistance element 4 attached to the measuring chamber during a first operating phase (measuring phase) of the Voltage drop measured. In a second operating phase (Heating phase) then a voltage on the resistance element 4 applied so that a current flows that the gas sensor (1) heated. Thus, the resistance element 4 becomes both Measuring the temperature as well as for heating the gas sensor used.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Gas-sensor nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Es sind Gassensoren bekannt, die auf eine Temperatur von etwa 600°C aufgeheizt werden und die in diesem Zustand des Sauerstoffgehalt in der umgebenden Atmosphäre messen. Die Heizung derartiger Gassensoren erfolgt über eine Heizwendel, die an der Meßkammer oder in der Nähe der Meßkammer angebracht ist Derartige Gassensoren sind nicht temperaturgeregelt, so daß sich eine Änderung der Umgebungstemperatur zwangsläufig eine Änderung der Meßspannung hervorruft. Um genaue Meßergebnisse zu erhalten sind aufwendige Kompensations-rechnungen nötig.
Es sind Gassensoren bekannt, bei denen sich der Heizstrom in Abhängigkeit der Temperatur, die mit einem separaten Temperaturfühler gemessen wird, einstellen läßt. Bei einer solchen Regelung ist der Temperaturfühler der Regelgrößenaufnehmer und die Heizwendel das Stellglied. Derartige Sonden sind vergleichsweise teuer und aufwendig in der Fertigung.
Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Auspuffgasen sind aus US 4,500,412 bekannt. Diese Sensoren sind sehr spezifisch für diese Anwendung konzipiert. Auch sie können über das zur Messung der Temperatur geeignete Widerstandselement geheizt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gassensor nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 zu schaffen, der preiswert herzustellen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gassensor nach Anspruch 1 gelöst.
Die Temperatur des Gassensors kann mit nur einem einzigen Widerstandselement genau eingestellt werden. Da das Widersandselement sowohl als Temperaturfühler als auch als Heizung benutzt wird, lassen sich weitere Bauteile einsparen. Dazu wird an das Widerstandselement zeitweise eine externe Spannungsquelle angeschlossen ist, über die dem Widerstandselement ein Heizstrom zuführbar ist. Es ist somit möglich, leistungsfähige und preiswerte Gassensoren zu fertigen, die sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnen. Ein weiterer Vorteil ist, daß es die einfache Bauweise den Einsatz von Materialien für die Widerstandselemente wie z.B. Nickel- oder Wolfram Legierungen erlaubt, die für bekannte Anordnungen nicht verarbeitet werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, diese Regelung, bei der ein Widerstandselement sowohl als Regelgrößenaufnehmer als auch als Stellglied benutzt wird, bei Gassensoren insbesondere bei Pumpsonden einzusetzen, die im Dickschichtverfahren aus aufeinander geklebten Flächenelementen hergestellt werden. So kann das Widerstandselement in einfacher Weise z.B. durch Aufkleben in den Sandwich-Aufbau integriert werden. Vorteilhafterweise wird das Widerstandselement mit einem Keramikkleber auf eine Wandung der Meßkammer aufgeklebt. Das Widerstandselement hat je nach Aufbau des Gassensors bei Zimmertemperatur einen Widerstand zwischen einem Ohm und einem Kiloohm. Auf diese Weise werden hochgenaue und besonders kleine Pumpsonden gefertigt.
Besonders vorteilhaft ist es, für das Widerstandselement ein Platinelement zu verwenden. Derartige Platinelemente zeichnen sich durch eine große Linearität über einen weiten Temperaturbereich und durch große Temperaturkoeffizienten aus. Vorteilhafterweise wird ein bekanntes käufliches Platinelement insbesondere ein PT 20, das einen Widerstand von 20 Ohm bei Zimmertemperatur hat, auf die Wandung der Meßkammer des Gassensors aufgeklebt. Ein PT 20 hat gerade bei den kleinen Gassensoren ein besonders günstiges Leistungsverhältnis, wenn es als Heizwiderstand betrieben wird.
Vorteilhafterweise werden flächige, kommerziell erhältliche Widerstandselemente benutzt, auf die einzeine Kammerelemente mit flüssigem Glas oder einem Keramikkleber aufgeklebt werden. Auf diese Weise bildet das Widerstandselement den Boden einer kompakten robusten Pumpsonde. Durch diese Anordnung wird eine besonders homogene Erwärmung gewährleistet. Da die für die Pumpsonde verwendeten Materialien besonders hizeresistent sind, ist es möglich, den Sensor auf etwa 1000°C zu erwärmen, ohne daß der Schaden nimmt. Bei diesen hohen Temperaturen ist eine besonders sensible Schadstoffmessung möglich. Außerdem kann der Sensor in besonders heißen Bereichen, beispielsweise direkt hinter der Feuerung von Verbrennungsanlagen eingesetzt werden.
Widerstandselemente aus Edelmetall sind vorteilhaft, weil sie besonders resistent gegen die gerade bei den hohen Temperaturen auftretende Korrosion sind. Platinelemente tragen daher zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Gassensoren bei.
Die elektrische Schaltung des Widerstandselementes erfolgt bekanntermaßen mit einer Brückenschaltung, mit der sich über den Spannungsabfall die Widerstandsänderung erfassen läßt. Durch diese Schaltung läßt sich gleichfalls die Temperatur optimal einstellen.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Widerstandselement im Siebdruckverfahren auf die Wandung der Meßkammer aufgedruckt oder insbesondere mit Platin auf die Wandung der Meßkammer aufgedampft.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Gassensor im Siebdruckverfahren hergestellt. Dadurch ist die preiswerte Herstellung eines sehr robusten und kleinen Sensors möglich.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
einen Gassensor mit mehreren auf ein Widerstandselement aufgeklebten Kammerelementen,
Fig. 2
einen Schnitt durch einen Gassensor und
Fig. 3
ein Kontaktelement.
Fig. 4
einen im Siebdruckverfahren hergestellten Gassensor.
In Figur 1 ist ein Gassensor 1 dargestellt, der primär für die Messung von Sauerstoff ausgelegt ist. Der Gassensor 1 hat eine Meßkammer 2, in der ein Sauerstoffpartialdruck P2 herrscht. Die Meßkammer 2 ist umrandet von einem brückenförmigen Kontaktelement 3 aus Kohlenstoff oder leitenden Metall. Das Kontaktelement 3 ist mit einem temperaturbeständigen Keramikkleber auf ein flächiges Platin-Widerstandselement 4, das bei Zimmertemperatur einen Widerstand zwischen einem Ohm und einem Kiloohm insbesondere 20 Ohm (PT 20) hat, aufgeklebt. Über die Zuleitungen 5 kann einerseits der Spannungsabfall gemessen und andererseits über eine zeitweise angeschlossene externe Spannungsquelle dem Widerstandselement ein Heizstrom zugeführt werden. Die Heiz- bzw. Meßwendel ist mit einer unterbrochenen Linie dargestellt.
Zu beiden Seiten des Kontaktelementes 3 sind Elemente 6 aus Zirkondioxyd (ZrO2) auf das Widerstandselement 4 aufgeklebt, so daß die abgeschlossene Meßkammer 2 mit Ionen- permeablen Wänden entsteht. Auf die Elemente 6 ist auf der Außenseite Katalysatormaterial 7 (Platin) aufgebracht.
Neben die Elemente 6 sind auf der der Meßkammer abgewandten Seite brückenförmige Kontaktelemente 3a auf das Widerstandselement 4 geklebt. Nach außen hin wird der durch die Kontaktelemente 3a gebildete Raum von quaderförmigen Keramikelementen 8 insbesondere aus Aluminiumoxyd begrenzt. Das Nullpotential der Pumpsonde liegt an der Leitung 9, der Pumpstrom wird über die Leitung 10 und die Sensorspannung über die Leitung 11 zugeführt.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Gassensor, der auf das Widerstandselement aufgeklebt ist. Zur Verdeutlichung der Geometrie ist in Figur 3 eine Seitenansicht eines Kontaktelementes 3 dargestellt.
Der Partialdruck P1 eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, wird nach Art einer Pumpsonde gemessen. Dabei wird die Pumpsonde in einem ersten Verfahrensschritt (Heizphase) durch Stromzufuhr an ein Widerstandselement beheizt, während in einem zweiten Verfahrensschritt (Meßphase) die Temperatur des PT 20 mittels des Spannungsabfalls über dem Widerstandselement gemessen wird.
In Figur 4 sind ist der Aufbau eines Gassensors gezeigt, der im Siebdruckverfahren hergestellt ist. Dazu werden in einem ersten Verfahrenschritt sechs freistehende leitende Elemente 13 aus Platinpaste in zwei Reihen a drei auf ein Widerstandselement 12 gedruckt. Nach dem Aushärten im Ofen werden im nächsten Schritt zwei balkenförmige Kammerwände 14 aus Zirkondioxyd in gleicher Stärke zwischen die leitenden Elemente 13 gedruckt und ausgehärtet. In einem dritten Schritt werden Elemente aus O2 durchlässiger Keramik 15 an die freien Seiten der Kammerwände 14 und in die freien Zwischenräume eingebracht. Nach dem Aushärten wird wird die Struktur mit einer Deckschicht 16 aus O2 undurchlässiger Keramik bedeckt.
Mit dem beschriebenen Sensor läßt sich ein Verfahren zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft durchführen. Dazu wird über dem an der Meßkammer angebrachten Widerstandselement 4 wahrend einer ersten Betriebsphase (Meßphase) der der Spannungsabfall gemessen. In einer zweiten Betriebsphase (Heizphase) wird dann am Widerstandselement 4 eine Spannung angelegt, so daß ein Strom fließt, der den Gassensor (1) heizt. Somit wird das Widerstandselement 4 sowohl zum Messen der Temperatur als auch zum Heizen des Gassensors benutzt.

Claims (9)

  1. Gassensor (1) zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, aufweisend eine Meßkammer (2) und aufweisend ein Widerstandselement (4), das zur Messung der Temperatur der Messkammer und zum Heizen der Messkammer dient, wobei das Widerstandselement (4) zeitweise an eine externe Spannungsquelle anschließbar ist, die dem Widerstandselement (4) einen Heizstrom zuführt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Meßkammer (2) nebeneinander angeordnete Kammerelemente (3,6) aufweist, die auf das Widerstandselement (4) aufgebracht sind, wobei ein mittleres der Kammerelemente von einem brückenförmigen Kontaktelement (3) gebildet ist, das die Meßkammer (2) über dem Widerstandselement (4) überspannt, wobei die zu beiden Seiten des Kontaktelementes (3) aufgebrachten Elemente (6) ionenpermeable Wände der Messkammer (2) bilden, wobei an die ionenpermeable Wände (6) jeweils ein brückenförmiges äußeres Kontaktelement (3a) angrenzt, wobei die Messkammer durch das Widerstandselement (4), das Kontaktelement (3) und die ionenpermeablen Wände abgeschlossen ist und wobei an die beiden äußeren Kontaktelemente (3a) jeweils ein abschließendes Keramikelement (4) angrenzt.
  2. Gassensor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (4) bei Zimmertemperatur einen Widerstand zwischen einem Ohm und einem Kiloohm hat.
  3. Gassensor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (4) ein Platinwiderstandselement (PT 20) ist, das einen Widerstand von etwa 20 Ohm bei Zimmertemperatur aufweist.
  4. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerelemente auf das Widerstandselement (4) aufgeklebt sind.
  5. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (4) im Siebdruckverfahren auf die Wandung der Meßkammer (2) oder die Kammerelemente (13,14,15,16) im Siebdruckverfahren auf das Widerstandselement (12) aufgedruckt sind.
  6. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (4) insbesondere mit Platin auf die Wandung der Meßkammer aufgedampft ist.
  7. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet , dass das Keramikelement (4) quaderförmig ist.
  8. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die ionenpermeablen Wände (6) von quaderförmigen Zirkondioxydelementen gebildet sind.
  9. Gassensor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) von den Zirkondioxydelementen (6) eingeschlossen und damit abgedichtet ist.
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